В ТПУ создали имплантат, восстанавливающий кость за счет роста нервов и сосудов

3D-биоэлектрический имплантат, помогающий восстанавливать сложные дефекты костей, разработали в составе международной коллаборации ученые Томского политехнического университета (ТПУ), 23 июля сообщила пресс-служба вуза.

Под действием приложенного внешнего магнитного поля материал имплантата создает слабые электрические сигналы, близкие к естественным сигналам живой костной ткани. Исследования на живом организме (in vivo) показали, что такой имплантат ускоряет образование костной ткани за счет роста вокруг нее нервных волокон и кровеносных сосудов.

Исследование нового имплантата проводилось в рамках поддержанного РНФ проекта «Электроактивные наноактуаторы для неинвазивной стимуляции блуждающего нерва при лечении метаболического синдрома» (№ 25-73-10231). Результаты работы над проектом ученые представили в статье, опубликованной в журнале ACS NANO (Q1, IF: 17,3).

Восстановление кости после травмы или операции происходит быстрее, когда в зоне дефекта одновременно вырастает новая костная ткань и нервная и сосудистая сеть. Без такой сети регенерация идет хуже и медленнее. Добиться эффективной регенерации можно за счет использования электрической стимуляции, которая имитирует биоэлектрические свойства самой кости.

В живом организме такая стимуляция происходит при механической нагрузке кости, которая вызывает возникновение слабых электрических сигналов. Эти сигналы помогают клеткам «понять», где и как нужно восстанавливать поврежденную ткань.

Проблема существующих методов электрической стимуляции в том, что они требуют использования внешних источников питания, для подключения которых необходимы провода и электроды. То есть такие методы инвазивны, они нарушают целостность тканей организма для получения доступа к внутренним структурам, а это повышает риск послеоперационных осложнений.

Имплантат, который совместно с российскими и зарубежными специалистами разработали ученые ТПУ, под воздействием слабого магнитного поля генерирует электрические сигналы дистанционно, непосредственно в зоне дефекта кости.

Такой имплантат представляет собой пористый 3D-скэффолд, который напечатали на 3D-принтере из биосовместимого гидрогеля, состоящего из желатин-метакрилата и встроенных в него магнитоэлектрический наночастиц типа «ядро-оболочка».

В центре такой частицы располагается магнитострикционное ядро из феррита марганца (MnFe₂O₄), снаружи его покрывает пьезоэлектрическая оболочка из перовскита модифицированного титаната бария Ba₀.₈₅Ca₀.₁₅Zr₀.₁Ti₀.₉O₃ (BCZT). Воздействие магнитного поля приводит к небольшой деформации ядра, а оболочка эту механическую деформацию превращает в электрический сигнал. Этот сигнал и запускает клеточные процессы.

«То есть наши имплантаты одновременно выступают в роли временной опоры для клеток и активной биоэлектрической платформы, которая активирует нервные клетки, усиливает межклеточное взаимодействие, поддерживает образование сосудов и направляет клетки для формирования костной ткани», — отметил руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем.

Исследование in vitro показало, что под воздействием слабого переменного магнитного поля 3D-печатные магнитоэлектрические скэффолды инициируют остеогенную дифференцировку стволовых клеток костного мозга и созревание нейрональных шванновских клеток (леммоцитов).

Воздействие магнитоэлектрической стимуляции приводит к значительному повышению внутриклеточной концентрации Ca²⁺ (в 1,83 раза), уровня цитокина TGF-β (трансформирующий фактор роста β) в 1,54 раза. При этом активируются сигнальные пути — PI3K-AKT, который регулирует ключевые процессы в клетках, и BMP (белка морфогенеза кости). Кроме того, происходит повышение экспрессии нейротрофических факторов (GDNF, BDNF, NGF), стимулирующих нейрогенез.

Исследования in vivo разработанных командой 3D-имплантатов проводились на дефектах бедренной кости у мышей. Они показали, что признаки раннего роста нервных клеток и запуск развития костных тканей появились через две недели, а через восемь недель уже наблюдалось выраженное восстановление костной ткани и «прорастание» нервов и сосудов.

Таким образом, магнитоэлектрическая стимуляция имплантатов ускорила формирование нервов и сосудов в 3,1 раза, а костной ткани в 4,6 раза по сравнению с контрольными группами.

«Главным преимуществом нового подхода к регенерации тканей является совмещение технологий 3D-печати и использование беспроводной электрической стимуляции в одной платформе, воспроизводящей внеклеточный матрикс поврежденных тканей человека и состоящей из биорезорбируемого полимерного материала на основе желатина и биосовместимых магнитоэлектрических наночастиц», — добавил директор Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Сурменев.

Ученый отметил, что подобные 3D-платформы могут в дальнейших разработках использоваться для восстановления и других сложных тканей в тех случаях, когда необходимо управлять одновременно ростом клеток, сосудов, нервов и межклеточным обменом.

В исследовании, кроме специалистов Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, участие приняли их коллеги из Шанхайского института керамики (Китай), Университета Китайской академии наук, Томского госуниверситета, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, НИТУ «МИСИС» и Университета Авейру (Португалия).